3D-Sensing

Stereoskopisches Sehen und ausgereifte Datenverarbeitung im Gehirn ermöglichen den Menschen die dreidimensionale Erfassung ihrer Umgebung. Eine zunehmende Anzahl neuartiger Technologien verlangt diese 3D-Sensing Fähigkeit auch von Maschinen und Systemen, oft mit hohen Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit der jeweiligen Methode. 

Ein beliebter und bewährter Ansatz des 3D-Sensing, der 3-dimensionalen Erfassung der Umgebung, ist die Distanzbestimmung über die Messung der Flugzeit von Licht, das time-of-flight (ToF) Verfahren. Hierbei wird ein Laserpuls ausgesendet, an einem Objekt reflektiert und anschließend auf einem Bildsensor detektiert. Aus der Dauer der Flugzeit und der Lichtgeschwindigkeit lässt sich die Entfernung des Objekts bestimmen. Als LiDAR (von engl. Light Detection and Ranging) wird dieses Verfahren bereits häufig z.B. in Fahrassistenzsystemen, Smartphones und der Robotik eingesetzt. Mehr zu dieser Anwendung im Bereich „autonomes Fahren“ finden Sie hier.

Die weit fortgeschrittene Entwicklung von Lasern und die hohe Lichtgeschwindigkeit erlauben grundsätzlich sehr schnelle Distanzbestimmungen und somit 3D-Sensing in Echtzeit. Dies stellt allerdings sehr hohe Anforderungen an den eingesetzten Bildsensor, der die Fähigkeit besitzen muss, Photonen zuverlässig zu detektieren und dabei die Ankunftszeit mit hoher Auflösung zu ermitteln. Falls die Distanzen verschiedener Punkte im Raum bestimmt werden soll, sind außerdem mehrere Pixel mit unabhängigen zeitbestimmenden Elementen auf dem Bildsensor notwendig.

Besonders bei der Anwendung von LiDAR in autonomen Fahrzeugen kommen weitere Herausforderungen, wie beispielsweise das Hintergrundlicht der Sonne, hinzu, welches stark variieren kann und trotzdem von dem Laserlicht unterschieden werden muss. Da hier die Seite des Senders (Laser) durch die Vorgabe der Augensicherheit größtenteils beschränkt ist, wird das Hauptaugenmerk auf die Optimierung des Empfängers (Bildsensors) und der nachfolgenden Datenverarbeitung gelegt.

CMOS Wafer mit dem Bildsensor CSPAD αlpha
© Fraunhofer IMS
Im hauseigenen CMOS-Prozess können die SPAD-Sensorelemente und Auswerteelektronik direkt zusammen gefertigt werden.

Expertise

Die vom Fraunhofer IMS entwickelten CSPAD Sensoren vereinen hochsensitives 3D-Sensing mit sicheren Algorithmen für den leistungsfähigen Einsatz unter anderem in LiDAR-Anwendungen. Zentrales Ziel dabei ist, maximale Reichweite auch bei hoher Sonnenlichtintensität und gleichzeitig geringen Systemkosten zu erreichen. Abgesehen von dem typische Anwendungsgebiet LiDAR können CSPAD Sensoren unter anderem auch in den Bereichen Spektroskopie, Quantum Imaging und Zufallszahlenerzeugung zur zeitaufgelösten Detektion von Photonen eingesetzt werden. 

Die CSPAD-Technologie basiert auf der Integration der SPAD Sensoren (SPAD, engl. für single photon avalanche diode) in einem für die Automobilindustrie zertifizierten und für optoelektronische Anwendungen optimierten 0,35 µm CMOS-Prozess. Dieser erlaubt es, SPAD-Sensorelemente und Auswerteelektronik auf demselben Chip unterzubringen.  Darüber hinaus können mit Hilfe der 3D-Integration in Wafer-zu-Wafer- und Chip-zu-Wafer-Bondverfahren rückseitenbeleuchtete CSPAD Sensoren realisiert werden.

Die am Fraunhofer IMS entwickelten CSPAD Sensoren zeichnen sich insbesondere durch die in die Pixel integrierten adaptiven Photonenkoinzidenzschaltungen zur Hintergrundlichtunterdrückung aus. Nur dadurch kann eine Steigerung der Reichweite bei hoher Sonnenlichteinstrahlung und die zuverlässige Abstandsmessung auch bei wechselnden Wetterbedingungen gewährleistet werden.

Über die Entwicklung und Fertigung neuer, auch kundenspezifischer, CSPAD Sensoren hinaus stellt das Fraunhofer IMS eine breite Palette von Leistungen im Bereich 3D-Sensing zur Verfügung. So werden sowohl Evaluationsboards für CSPAD Sensoren als auch komplette LiDAR-Kameras mit entsprechender Software angeboten, mit denen die Sensoren in realistischen Messszenarien evaluiert werden können. Des Weiteren werden am Fraunhofer IMS Systemsimulationen durchgeführt und ständig neue Methoden zur Signalverarbeitung erforscht, um eine zusätzliche Steigerung der Reichweite zu erzielen. Auch der Einsatz von Künstlicher Intelligenz zur zuverlässigen Detektion und effizienten Rauschunterdrückung wird untersucht. 

CSPAD Sensor SPADEye2 im Gehäuse
© Fraunhofer IMS
Der SPADEye2 kann einzelne Photonen in zwei Zeilen zeitaufgelöst detektieren und zählen.

SPADEye2

Der Zeilensensor SPADEye2 bietet in 2x192 Pixeln extrem rauscharme CMOS integrierte SPADs, die verbunden mit einer komplexen Schaltung, die zeitaufgelöste Detektion von Photonen erlauben. In jedem Pixel befindet sich ein eigenständiger TDC (Time-to-Digital Converter) zur Zeiterfassung und eine Schaltung zum Zählen von auftreffenden Photonen. 4 SPADs in jedem Pixel sind über eine adaptive Photonenkoinzidenzschaltungen zur Hintergrundlichtunterdrückung verbunden. Der Sensor SPADEye2 kann in einem Messfenster von 1,28 µs Photonen mit einer Zeitauflösung von 312,5 ps detektieren und deckt damit theoretisch eine Distanz von 192 m bei einer Auflösung von ca. 5 cm ab.

Sensor CSPAD αlpha auf einem Finger
© Fraunhofer IMS
Der CSPAD αlpha vereint 3D-Integration und rückseitenbeleuchtete SPADs zu einem kompakten und hoch performanten Bildsensor.
Layout des Sensors CSPAD αlpha mit Aufschlüsselung der Schaltungskomponenten
© Fraunhofer IMS
Die Schaltungskomponenten für die Auswerteelektronik des CSPAD αlpha sind individuell in jedem Pixel untergebracht.

CSPAD αlpha

Der CSPAD αlpha markiert einen wichtigen Meilenstein bei der Entwicklung von intelligenten CMOS Sensoren und zeigt eine neue Integrationsform von Single-Photon Avalanche Dioden (SPAD) in CMOS. Der CSPAD αlpha kombiniert erstmalig die hochempfindlichen Sensoren mit ihrer Elektronik in Form eines dreidimensionalen Chipstapels. Durch die im IMS entwickelte 8“ Wafer-zu-Wafer Verbindungstechnologie können hochauflösende Pixelmatrizen mit einer schnellen Ausleseelektronik auf kleinstem Raum integriert werden. CSPAD αlpha demonstriert mit seinen LiDAR-Fähigkeiten dabei die Qualität dieser neuen Verbindungsmethode und bildet die Basis für weitere Chipdesigns.

 

Mit 32 x 24 Pixeln lassen sich Distanzmessungen mittels nur einer Beleuchtung (Flash-LiDAR) und 26 kHz Ausleserate durchführen. Die TDCs (Time-to-Digital Converter) sind pixelweise in der Ausleseelektronik integriert und ermöglichen eine Zeitauflösung von unter 420 ps. Durch den Einsatz von Mikrolinsenarrays kann zusätzlich eine 7-fache Verbesserung der Empfindlichkeit erreicht werden. In einer weiteren Entwicklungsstufe entsteht aktuell der Flächensensor CSPAD3000 mit einer verbesserten Auflösung von 32 x 24 Pixel.

Das Fraunhofer IMS arbeitet fortlaufend an der Entwicklung und Optimierung SPAD-basierter Sensoren und sucht Partner für Anwendungen der CSPAD Sensoren. Unsere Evaluationskits bieten für jegliche Anwendung einen unkomplizierten Zugang zu den Sensoren mit vielen Möglichkeiten zur Anpassung.

Falls Sie weitere Informationen benötigen oder über einen kundenspezifischen CSPAD Sensor nachdenken, kontaktieren Sie uns.

Next Level Photonics

Neuartige Methoden zur Erzeugung und Detektion zusammen mit unserem Partner Kyoto Universität

CMOS SPADs for LiDAR Applications

2 x 192 Pixel SPAD Sensor mit in-pixel TDC und adaptiver Koinzidenzschaltung

Owl

LiDAR-Kamera als Plattform für die Evaluation und Demonstration der 3D-Sensoren

CSPAD αlpha

Weitere Informationen zum CSPAD αlpha erhalten Sie gerne auf Anfrage!

UTOFIA

QVGA ToF-Sensor für eine kompakte und kostengünstige Unterwasserkamera

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Mit hochaufgelösten und hochfrequenten optischen Sensorsystemen lassen sich Profile und Oberflächen ultraschnell vermessen

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Integrierte Sensorsysteme

Hierzu gehören alle elektronischen Komponenten, die für die Sensorsignalaufbereitung verwendet werden.

Optische Systeme

Umfasst 3D-Sensoren, Hochgeschwindigkeits- Bildaufnahme, Detektion extrem schwachen Lichts sowie Bildgebung für wissenschaftliche Anwendungen.

Drathlos- und Transponder Systeme

Beinhaltet die drahtlose Erfassung von Sensor- und Identifikationsdaten auch bei passiven Systemen.

 

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